JP4565850B2 - 超音波モータおよびレンズ装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動を利用した超音波モータ、及び、この超音波モータを用いてレンズを光軸方向に移動することで、焦点調節、ズームを行うレンズ装置に関する。

近年、動きの速さ、静粛性および変位精度の正確性に優れるという理由から、カメラなどにおいてレンズのピント合わせやズーム機構等に超音波モータが好適に用いられている
が、このような超音波モータとして、下記の特許文献１に記載されたようなものが知られている。図６（ａ）、（ｂ）は、従来の超音波モータの断面図である。特許文献１に記されたこの超音波モータは直方体状の弾性体１の下面（第１面ａ）側中央付近に電気機械変換素子２、３が併設して接着され、その両側に突起部４、５が取り付けられた構造となっており、このような超音波モータでは電気機械変換素子が弾性体の長手方向の中央面に対して対称の位置に設けられている。

そして、電気機械変換素子２、３により弾性体１に、長手方向に変位する縦振動、および、厚み方向に変位する屈曲振動を発生させ、これら振動の合成によって突起部４、５を楕円運動させて駆動力を取り出すことができる。突起部４、５がすなわち駆動力取り出し部４、５に相当する。さらに、これら駆動力取り出し部４、５に接するように被駆動部材であるロータ（不図示）を設ければ、このロータを、例えば、矢印で示すように弾性体１の長手方向に移動させることができる。なお、図６（ａ）は、駆動力取り出し部４、５が弾性体１に発生する屈曲振動の腹の位置よりも外側に取り付けられたものであり、図６（ｃ）に示すように、２つの楕円軌跡の長軸または短軸の向きが弾性体１の第１面ａに直交する方向と一致する運動をする。一方、図６（ｂ）は駆動力取り出し部４、５が弾性体１に発生する屈曲振動の腹の位置に取り付けられたものであり、この場合楕円軌跡は図６（ｄ）のように互いに逆向きに傾いている。
特開平７−３２７３７９号

しかしながら、上記の超音波モータでは、電気機械変換素子２、３と突起部４、５が、弾性体１の長手方向の中央面に対して対称の位置に設けられているために、図６（ｃ）のように、２つの楕円軌跡の長軸または短軸の向きが弾性体１の第１面ａに直交する方向に一致することから、このような場合、駆動力は楕円運動の水平方向の運動のみであり、突起部４、５の楕円軌跡においてロータが接触する間は摩擦力を介して突起部４、５はロータを水平方向に移動させることができるものの、駆動開始時や停止時には滑りが生じやすく効率が低下するという問題があった。

一方、楕円軌跡が図６（ｄ）のように、互いに逆向きに傾きロータの移動の向きと傾きの向きが一致する場合においては、例えば、一方の突起４では楕円運動の水平方向の運動に斜め上下方向の運動が加わり大きな駆動力が得られるが、もう一方の突起５においては、ロータの移動の向きと傾きの向きが逆向きになるため、楕円運動の水平方向の運動に対して斜め上下方向の運動はブレーキとなり、突起部５とロータとの摩耗も大きくなり、これにより全体の駆動力が低下するという問題があった。

従って、本発明は、複数の突起部の楕円軌跡が、同一方向に傾くようにして、楕円運動の水平方向の運動と、斜め上下方向の運動がロータの移動方向と一致するようにし、駆動力が大きく、始動時の滑りが少なく高効率で動作する超音波モータと、それを用いたレンズ装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波モータは、第１面および該第１面と対向配置される第２面を有する直方体状の弾性体と、この弾性体の前記第１面又は前記第２面側に接合された複数の電気機械変換素子と、前記弾性体の第１面側の所定箇所に取り付けられた複数の突起部とを備え、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させ、これら振動の合成によって前記突起部を楕円運動させて駆動力を取り出す超音波モータであって、複数の前記突起部又は前記電気機械変換素子が、前記弾性体の長手方向の中心から非対称の位置に設けられており、前記複数の突起部の描く楕円運動の軌跡が、前記弾性体の長手方
向と前記第１面に直交する方向とから定められる面内で同じ方向に傾いていることを特徴とする。複数の突起部又は電気機械変換素子を、弾性体の長手方向の中心から非対称の位置に設けることにより、上記したように複数の突起部の楕円軌跡の軸を同じ方向に傾かせることができる。

本発明では、このように、複数の突起部の楕円軌跡の軸が同じ方向に傾いているため、突起部の楕円運動による駆動力と突起の斜め上下運動による駆動力が同じ向きに重畳して働くようにでき、こうして大きな駆動力が得られ、さらには、始動時の滑りをも小さくできる。

また、上記超音波モータでは、電気機械変換素子が積層型圧電素子であることが望ましい。即ち、本発明によれば、電気機械変換素子として、低電圧駆動が可能な積層型圧電素子を用いることにより、トランスなどを設けなくてもカメラなどに備えられる低電圧電源を高周波に変換して駆動できる超音波モータを形成できる。

そして、駆動効率が高く、始動時の応答性が高い、本発明の超音波モータをレンズの焦点調節やズームに使用すれば、タイムラグが小さく迅速に撮影ができるレンズ装置を備えたカメラが実現でき、また消費電力も低く出来るため、携帯用カメラなどに好適である。

本発明の実施形態である超音波モータを図１を用いて説明する。図１は、本発明の超音波モータを示す断面図である。

本発明の超音波モータは、ロータＢの上面側にモータ本体Ａが加圧接触して設けられている。モータ本体Ａは、弾性体１の上面（第２面ｂ）側に複数の電気機械変換素子である圧電素子２、３が接合されており、圧電素子２、３の上面および下面には、それぞれ不図示の駆動用電極が接合されている。一方、弾性体１の下面である（第１面ａ）には複数の突起部４、５が設けられている。この突起部４、５の楕円運動を利用して超音波モータの駆動力が取り出される。以下、この突起部４、５を駆動用突起部と呼ぶ。この駆動用突起部４、５は、弾性体１の長手方向の中心面に対して対称でない位置に取り付けられている（図１では、ｃ≠ｄとなっている）。この場合、圧電素子２、３と駆動用突起部４、５とは異なる面に設けられているが同一の面に設けてもよい。

また、本発明の超音波モータを構成する圧電素子２、３は、厚み方向の同一方向に分極しており、また、各圧電素子２、３には電極を介して互いに９０度（π／２）位相の異なる高周波電圧が印加される。高周波電圧が印加されると各圧電素子２、３は励振し、それに応じて弾性体１は縦振動および屈曲振動を行うことができる。そして、これらの振動が弾性体１内部で合成されて、駆動用突起部４、５は楕円運動を発生する。なお、圧電素子２、３の分極方向は互いに逆向きでもよい。

即ち、本発明の超音波モータでは、上記したように圧電素子２、３の励振と、駆動用突起部４、５の非対称な配置どりにより、複数の駆動用突起部４、５の描く楕円運動の軌跡が、前記弾性体１の長手方向と前記第１面に直交する方向とから定められる面内で、同じ方向に傾いていることを特徴とするものである。

本発明の弾性体１を構成する材料としては、ステンレス、アルミニウム、インバー等の金属、樹脂、炭素繊維もしくはガラス繊維等を含有する金属、セラミックスまたは樹脂等が用いられる。

圧電素子２、３は、大きな駆動力を得るという点から、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を
主成分とする圧電セラミックスが好ましく、さらに、駆動用突起部４、５の材質としては、弾性体１と一体的に形成することで取付位置精度を高くできるという理由から弾性体１と同じ材質が望ましいが、駆動用突起部４、５の耐久性を重視する場合は、セラミックスなど耐磨耗性の高い材料を用いるのがよい。

図２は、圧電ＦＥＭ解析により得られた駆動用突起部を設ける位置（ａ〜ｊ）と、仮想的な駆動用突起部の各位置での楕円軌跡形状の概略図である。この超音波モータは、長手方向縦振動は１次モード、屈曲振動は４次モードを用いた場合であり、図２には屈曲振動４次モードの概略形状を示している。なお、縦振動１次モードとは、弾性体１の長手方向縦振動の１／２波長が弾性耐の長さと同じになるモードをいい、屈曲振動４次モードとは、屈曲振動の腹が４つ存在するモードをいう。図２によれば、屈曲振動の節（例えば、ａ点とｂ点の間の位置）を境に楕円軌道の回転の向きが変わり、楕円軌道の回転の向きが同じ領域、即ち、屈曲振動の同じ腹の領域においては、駆動用突起部４、５を設ける位置によって楕円軌道の軸の傾きが変化していくことが分かる。例えば、ｄ点とｇ点は屈曲振動の腹の位置であり、従来の超音波モータで駆動用突起部４、５が設けられる位置であるが、楕円軌道の傾きは互いに逆向きに傾いている。又、ｃ点とｈ点は、特許文献１において良いとされている位置である。

これに対して、本発明における駆動用突起部４、５を設ける位置は、例えば、ｂ点とｇ点又はｄ点とｉ点となり、このような位置に駆動用突起部４、５を設けることにより楕円軌跡の軸の傾きを同じ方向にできる。なお、ロータＢを図２の左方向に駆動する場合はｄ点とｉ点の組み合わせ、一方、ロータＢを図２の右方向に駆動する場合はｂ点とｇ点の組み合わせがよく、これらの組み合わせにより、ロータＢの移動方向と楕円軌跡の軸の傾きの向きを一致させることができ高効率に駆動できる。なお、移動方向を変える場合は圧電素子２、３に与える高周波電圧の位相を反転させて楕円軌跡の回転の向きを反転させればよい。

本発明の超音波モータについて、以下の実施例を用いて具体的に説明をする。弾性体１は真鍮とし、長さ５ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．２６ｍｍとした。また、圧電素子２、３はＰＺＴ磁器の両面に銀電極を焼付けたものとし、厚さ０．１ｍｍ、幅０．８ｍｍ、圧電素子２、３どうしの間隔は０．４ｍｍとし、弾性体１の長手方向の中央面に対し対称な位置に付けることとした。圧電素子２、３は厚さ方向に２ｋＶ／ｍｍの電界を印加して８０度の絶縁オイル中で５分間分極処理を行ったものであり、弾性体１の上面側である第２面に瞬間接着剤で貼り付けた。駆動用突起部４は弾性体１の第１面ａに左端から０．７ｍｍの位置に設け、もう１つの駆動用突起部５は弾性体１の第１面ａに右端から０．９ｍｍの位置に設けた。それぞれの駆動用突起部４、５は、長さ０．４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとして、材料は弾性体１と同じ真鍮とし弾性体１と一体的に作製した。

圧電素子２、３には振幅５ボルトの高周波電圧を印加し、圧電素子２と３に与える高周波電圧の位相は９０度異なるようにした。すなわち、圧電素子２には、振幅５ボルトのｓｉｎ波を、圧電素子３には振幅５ボルトのｃｏｓ波の高周波電圧を印加した。

図３は、本発明の超音波モータの駆動用突起部４における長手方向（ｙ）と厚さ方向（ｚ）の振幅と、本超音波モータでロータを駆動したときのロータの速度の印加電圧の周波数依存性を示すものである。

縦１次振動の共振ピークが３６２．５ｋＨｚ付近にあり、曲げ４次振動の共振ピークが３６４．５ｋＨｚ付近にあり、縦１次振動の共振ピーク付近で、ロータの駆動速度が最も大きくなることが分かる。

図４（ａ）、（ｂ）は、参考例を示すものであり、弾性体の長さ可変機構を設けた超音波モータの概略断面図である。図４（ａ）、（ｂ）において、弾性体１の左右両端部に弾性体長可変機構８、９が設けられている。ここで図４の破線部分が弾性体１の最初の形状である。図４（ａ）は、弾性体長可変機構８が伸び、弾性体長可変機構９が縮んだ状態を示す。このとき、圧電素子２にｓｉｎ波、圧電素子３にｃｏｓ波の高周波電圧を印加すると、楕円軌跡の回転の向きと軸の傾きは図示のようになり、ロータを左に駆動する際に好適である。

図４（ｂ）は、弾性体長可変機構８が縮み、弾性体長可変機構９が伸びた状態を示す。このとき、圧電素子２にｃｏｓ波、圧電素子３にｓｉｎ波の高周波電圧を印加すると、楕円軌跡の回転の向きと軸の傾きは図示のようになり、ロータを右に駆動する際に好適である。

図５（ａ）、（ｂ）は、他の参考例を示すものであり、弾性体１に空洞部１１を設け、その空洞部１１内に可動錘１２を内蔵させた超音波モータの概略断面図である。この超音波モータでは、可動錘１２を弾性体１の中心から左右に移動することで、ロータＢを左右に効率よく駆動することが出来る。

本発明の超音波モータを示す断面図である。 圧電ＦＥＭ解析により得られた駆動用突起部を設ける位置（ａ〜ｊ）と、仮想的な駆動用突起部の各位置での楕円軌跡形状の概略図である。 本発明の超音波モータの駆動用突起部４における長手方向（ｙ）と厚さ方向（ｚ）の振幅と、本超音波モータでロータを駆動したときのロータの速度の印加電圧の周波数依存性を示すものである。 （ａ）、（ｂ）は、参考例の超音波モータを示すもので、（ａ）は、弾性体長可変機構８が伸び、弾性体長可変機構９が縮んだ状態を示す図、（ｂ）は、弾性体長可変機構８が縮み、弾性体長可変機構９が伸びた状態を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、他の参考例の超音波モータを示すものであり、弾性体に空洞部を設け、その空洞部内に可動錘を内蔵させた本発明の超音波モータの概略断面図である。 従来の超音波モータの断面図と、駆動用突起部の楕円軌跡を示す概略断面図である。

１ 弾性体
２、３ 電気機械変換素子（圧電素子）
４、５ 突起部（駆動用突起部）
ａ 第1面
ｂ 第２面

Claims (3)

1. 第１面および該第１面と対向配置される第２面を有する直方体状の弾性体と、この弾性体の前記第１面又は前記第２面側に接合された複数の電気機械変換素子と、前記弾性体の第１面側の所定箇所に取り付けられた複数の突起部とを備え、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させ、これら振動の合成によって前記突起部を楕円運動させて駆動力を取り出す超音波モータであって、複数の前記突起部又は前記電気機械変換素子が、前記弾性体の長手方向の中心から非対称の位置に設けられており、前記複数の突起部の描く楕円運動の軌跡が、前記弾性体の長手方向と前記第１面に直交する方向とから定められる面内で同じ方向に傾いていることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記電気機械変換素子が積層型圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 少なくとも一部が光軸方向に移動する可動光学系と、該可動光学系を支持する支持部材と、該支持部材を光軸方向に移動させるための超音波モータとを備えたレンズ装置であって、前記超音波モータが請求項１または２に記載の超音波モータであることを特徴とするレンズ装置。

Images